WO2015074865A1 - Vakuumpumpen-system sowie verfahren zum betreiben eines vakuumpumpen-systems - Google Patents

Vakuumpumpen-system sowie verfahren zum betreiben eines vakuumpumpen-systems Download PDF

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WO2015074865A1
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vacuum pump
inlet
valve
pump system
pressure
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PCT/EP2014/073681
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Christian Beyer
Thomas Dreifert
Roland Müller
Daniel SCHNEIDENBACH
Max PELIKAN
Dirk Schiller
Dirk STRATMANN
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Oerlikon Leybold Vacuum Gmbh
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    • F04C2220/10—Vacuum
    • F04C2220/12—Dry running

Definitions

  • the invention relates to a vacuum pump system and a method for operating a vacuum pump system.
  • Vacuum pumps and vacuum pump systems are often used to evacuate chambers in a short time. This is done using dry compressing vacuum pumps such as screw pumps, claw pumps or multi-stage roots pumps. Possibly. It is also possible to use oil-sealed vacuum pumps, such as rotary vane pumps or barrier vane pumps. Frequently, several pumps are arranged in series and / or parallel to each other in order to pump large volumes of gas in short periods of time.
  • Typical applications are lock chambers as they are, for example. Provided in coating equipment.
  • the lock chamber must be pumped from atmospheric pressure to a transfer pressure in short periods. This usually takes place in periods of 20 seconds to 120 seconds to a transfer pressure of 0.1 mbar to 10 mbar.
  • a valve which is arranged between the lock chamber and the vacuum pump system can be closed. The valve is over an idle time, which is about one to ten times the Abpumpzeit closed.
  • a screw pump is used to evacuate a chamber such as a lock chamber or a process chamber
  • a gap is provided between the rotor elements of the screw and the housing which, since it is a dry-compressed vacuum pump, is not a lubricant is sealed.
  • the gap width depends in particular on the rotor temperature. Since there is always a backflow of the medium to be pumped through the gap, the optimum delivery rate of the pump is achieved only when the operating temperature and thus at a very small gap. Once a target pressure is achieved in a process chamber, it would be possible to reduce the speed of the pump and thus the pump power or possibly even turn off the pump.
  • the object of the invention is to provide a vacuum pump system and a method for operating a vacuum pump system, in which a high particular maximum delivery of the vacuum pump, or the vacuum pump system can be guaranteed in different operating conditions on the one hand and the energy consumption can be reduced can.
  • the object is achieved according to the invention by a vacuum pump system according to claim 1 or by a method for operating a vacuum pump system according to claim 10.
  • the vacuum pump system according to the invention has been developed in particular to the fact that even if in a standby mode, the required pressure in the chamber such as a process chamber is already reached, the vacuum pump is maintained at operating temperature and rated speed and then, as soon as the pressure in the process chamber Set pressure exceeds, the vacuum pump can be operated directly again with high pump power. Accordingly, the vacuum pump system according to the invention has been developed for a standby mode in lock chambers, so that on the one hand low Abpump réelle realized in the lock chamber and on the other hand, during the idle time energy savings can be realized. Here, the rated speed of the vacuum pump is maintained.
  • the vacuum pump system has one or more vacuum pumps, in particular a dry-compressing vacuum pump such as a screw pump. An inlet of the vacuum pump is connected to one evacuating chamber connected like a process chamber or a lock chamber. The outlet of the vacuum pump is connected to an outlet line. This may, for example, be connected to a backing pump.
  • a preferably mechanical check valve is arranged in the outlet.
  • the check valve which may optionally be formed as a control valve, a backflow of the pumped medium is avoided in the pump chamber of the vacuum pump.
  • the outlet line is connected to the inlet line via a bypass line.
  • a bypass valve is arranged, which is connected to a control device. This makes it possible to open the bypass valve upon reaching a target pressure in the process chamber or the lock chamber to keep the vacuum pump fully operational with reduced power consumption. In this case, in particular the outlet pressure of the vacuum pump is reduced, wherein the operating temperature of the vacuum pump is at least substantially maintained.
  • the bypass line preferably bridges the at least one vacuum pump.
  • a switchable inlet valve which is likewise connected to the control device is arranged in the inlet line connected to the inlet of the vacuum pump and the chamber.
  • the bypass valve can be closed and the inlet valve can be opened, so that due to the fact that the vacuum pump is substantially at rated speed, immediately again at a high, in particular optimum, delivery rate of the vacuum pump promoted can be.
  • the pressure fluctuations within the process chamber are thus very low and the pumping down times optimally short.
  • the inlet valve it is likewise possible for the inlet valve not to close completely, so that a small gas flow is always conveyed out of the process chamber at a reduced delivery rate of the at least one vacuum pump.
  • the inlet valve can be opened again for the next lock operation, so that immediately with high pump volume an evacuation of the lock chamber can take place within the required pump down time.
  • the vacuum pump system according to the invention has the advantage that in this way considerable energy savings can be achieved. This is particularly advantageous in a standby mode in which the inlet valve (if present) is preferably completely closed and the bypass valve is preferably fully open.
  • the vacuum pump system according to the invention always has at least one vacuum pump, which can be bridged by a bypass. Accordingly, a plurality of vacuum pumps can be provided, which can be bridged by a common or multiple bypasses. Furthermore, it is possible that when providing a plurality of vacuum pumps only one or some of the vacuum pumps via a common and / or multiple bypasses are bridged. In the following, the invention will be explained with reference to the provision of a vacuum pump.
  • the bypass line is preferably connected to the inlet line between the inlet valve and the inlet of the vacuum pump. It is also possible to connect the bypass line directly to the inlet of the vacuum pump.
  • the vacuum pump system is hermetically sealed.
  • the external leakage in standby mode, it is advantageous if the external leakage is as low as possible. It is preferred that the external leakage is less than 10 ⁇ 4 mbar xl / s. If larger leaks occur in standby mode, it would also be possible to close the bypass valve in the short term with the inlet valve closed further, so that the medium is discharged through the outlet line of the check valve. If necessary, the speed of the pump can be increased. The pump can then be operated again in standby mode with the intake valve closed and the bypass valve open. A corresponding control can be carried out with the aid of the control device, which serves in addition to the control of the inlet valve and the bypass valve for controlling the vacuum pump. To determine an excessively high leakage current, it is possible to measure the pressure, for example, in the bypass line. Also, the power consumption of the vacuum pump can be measured, as it also increases with increasing pressure.
  • the pumps used themselves be very dense.
  • the pumps must be designed in such a way that only small gas leaks occur even at greatly reduced outlet pressures of, for example, 10 mbar to 500 mbar. In particular, no gas / air should penetrate from the outside into the pump.
  • the speed of the vacuum pump in the standby mode is in the range of 100% to 20% of the rated speed. Furthermore, it is particularly preferred that a volume of gas Vol 22 between the outlet of the vacuum pump and the check valve is smaller than a volume of gas Voli 4 between the inlet valve and the inlet of the vacuum pump. In particular, a ratio of 22 vol / Voli 4 is smaller than 1.0, preferably less than 0.2 sought. This makes it possible that when opening the bypass valve, the pressure on the outlet side of the vacuum pump is brought to a sufficiently low level. As a result, a particularly high energy savings can be achieved.
  • the corresponding volumes can be realized, in particular, by using as short lines as possible on the outlet side, in particular with small cross sections, and longer lines on the inlet side, possibly with larger cross sections. It is also possible on the inlet side to provide a buffer container for enlarging the inlet-side volume Voli 4 .
  • the vacuum pump system according to the invention will be operated in such a way that when the inlet valve is closed, the bypass valve is also closed when the pressure p 2 at the inlet of the vacuum pump exceeds a predetermined limit. This results in a pumping of medium in the direction of the outlet through the check valve 24th
  • the bypass valve closes when the power or current consumption of the vacuum pump exceeds a predetermined limit value.
  • the invention relates to a method for operating a vacuum pump system with lock chamber as described above.
  • the vacuum pump is operated in a standby mode as described above, so that in particular fully closed inlet valve and in particular completely open bypass valve, the vacuum pump operated at reduced outlet pressure and preferably rated speed, and thus optimally prepared for the next pumping, however at a reduced power consumption.
  • the method according to the invention is preferably developed as described above with reference to the vacuum pump system.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first preferred embodiment
  • Fig. 2 is a schematic representation of a second preferred embodiment
  • Fig. 3 is a schematic representation of a third preferred embodiment
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a pressure curve over time.
  • the vacuum pump system shown in FIG. 1 has a screw pump 10.
  • An inlet 12 of the vacuum pump is via an inlet line 14 with a chamber, such as a lock or Process chamber 16 connected.
  • the chamber 16 has an over a valve 17 (valve V 0 ) closable inlet.
  • a particular controllable inlet valve 18 (valve Vi) is arranged in the inlet line 14.
  • An outlet 20 is connected to an outlet 20 of the vacuum pump 10, in which a check valve 24 is arranged.
  • the outlet conduit 22 may be directly connected to the atmosphere or also to an exhaust system of predetermined system pressure. This system pressure may be higher or lower than the atmospheric pressure.
  • the outlet line 22 is connected to the inlet line 14 via a bypass line 30.
  • a bypass line 30 In the bypass line 30 is a particular electrically switchable bypass valve 26 (valve V 2 ) is arranged.
  • a control device 28 is provided which is connected at least to the starting valve 18 and the bypass valve 26 for controlling these valves.
  • the control device 28 may be connected to a pressure sensor arranged in the process chamber. It is also possible for the control device 28 to control the vacuum pump 10.
  • the inlet valve 18 is opened and the bypass valve 26 is closed.
  • the gas to be delivered is thus sucked by the vacuum pump 10 via the inlet line 14 and discharged through the outlet valve 22 through the check valve 24.
  • the inlet valve 18 is closed by the control device 28 and simultaneously or delayed, the bypass valve 26 is opened.
  • the rotational speed of the vacuum pump 10 can be reduced, so that a relatively small amount of gas from a vacuum pump 10 is circulated through the bypass passage 30.
  • the vacuum pump 10 can be kept fully operational with low energy consumption.
  • the vacuum pump system is hermetically sealed.
  • bypass valve 26 can be opened again, so that in turn a small amount of gas can be conveyed in a circle.
  • a further vacuum pump 32 for example a Roots pump arranged in the inlet line 14 in addition a further vacuum pump 32, for example a Roots pump arranged in the inlet line 14 in addition a further vacuum pump 32, for example a Roots pump arranged in the inlet line 14 in addition a further vacuum pump 32, for example a Roots pump arranged in the inlet line 14 in addition a further vacuum pump 32, for example a Roots pump arranged in the inlet line 14 in addition a further vacuum pump 32, for example a Roots pump arranged in the inlet line 14 in addition a further vacuum pump 32, for example a Roots pump arranged in the inlet line 14 in addition a further vacuum pump 32, for example a Roots pump arranged in the inlet line 14 in addition a further vacuum pump 32, for example a Roots pump arranged in the inlet line 14 in addition a further vacuum pump 32, for example a Roots pump arranged in the bypass line 30 is connected to a part of the inlet line connecting the two vacuum pumps 10, 32
  • a further vacuum pump 34 for example a Roots pump, is arranged in series with the vacuum pump 10.
  • the bypass line 30 bridges the two vacuum pumps 10, 32.
  • the pumping capacity of the overall system can be increased by means of this pump arrangement.
  • the designated V 0 valve 17 is open to fill the lock chamber 16.
  • the pressure p is shown as a solid line rises in the chamber 16 from p, i .e. to ambient pressure at.
  • the valve Vi denoted by 18 is closed so that a pressure p 2 prevails at the inlet of the vacuum pump 10. This is shown in Fig. 4 as a dashed line.
  • the pressure p 2 at the pump inlet as well as the pressure pi at the pump outlet which is shown as a dotted line in FIG. 4, rise first.
  • the pressure p 2 decreases in the short term, since the valve V 2 designated 26 is closed just before the valve Vi is opened.
  • the valve V 2 is opened.
  • the dashed pressure p 2 at the inlet of the vacuum pump 10 thus increases slightly.
  • the pressure pi (dotted line) prevailing in the area of the outlet 20, 22 drops off. Since the pressure drop pi according to the invention should be significantly greater than the pressure increase p 2 , the volume Vol 22 must be correspondingly larger than the volume Voli 4 . During idle time, these pressures are maintained accordingly. Since the valve Vi is closed, the pressure change in the inlet 14 has no effect on the pressure in the lock chamber 16.

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Abstract

Ein Vakuumpumpen-System weist eine insbesondere als Schraubenpumpe ausgebildete Vakuumpumpe (10) auf. Dies dient zur Evakuierung einer Kammer (16). Bei Erreichen eines gewünschten Solldrucks in der Kammer (16) kann das Vakuumpumpen-System in einem Standby-Modus betrieben werden. Hierzu ist eine Auslassleitung (22) über eine Bypassleitung (24) mit einer Einlassleitung (30) verbunden. Im Standby-Modus ist das Einlassventil (18) geschlossen und ein Bypassventil (26) geöffnet, so dass von der Vakuumpumpe (10) Medium im Kreis gefördert werden kann. Hierdurch wird die Vakuumpumpe im Wesentlichen auf Betriebstemperatur gehalten.

Description

Vakuumpumpen-Svstem
sowie Verfahren zum Betreiben eines Vakuumpumpen-Svstems
Die Erfindung betrifft ein Vakuumpumpen-System sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Vakuumpumpen-Systems.
Vakuumpumpen und Vakuumpumpen-Systeme werden häufig eingesetzt um Kammern in kurzer Zeit zu evakuieren. Dies erfolgt unter Verwendung von trockenverdichtenden Vakuumpumpen wie bspw. Schraubenpumpen, Klauenpumpen oder Multi-Stage-Roots-Pumpen. Ggf. können auch ölgedichtete Vakuumpumpen wie Drehschiebepumpen oder Sperrschiebepumpen verwendet werden. Häufig werden auch mehrere Pumpen in Reihe und/oder parallel zueinander angeordnet, um in kurzen Zeiträumen große Gasvolumina pumpen zu können.
Typische Anwendungen sind Schleusenkammern wie sie bspw. in Beschichtungsanlagen vorgesehen sind . Die Schleusenkammer muss hierbei in kurzen Zeiträumen von Atmosphärendruck auf einen Übergabedruck abgepumpt werden. Dies erfolgt üblicherweise in Zeiträumen von 20 Sek. bis 120 Sek. auf einen Übergabedruck von 0,1 mbar bis 10 mbar. Im Anschluss kann ein Ventil, das zwischen der Schleusenkammer und dem Vakuumpumpen-System angeordnet ist geschlossen werden. Das Ventil ist über eine Leerlaufzeit, die etwa das Ein- bis Zehnfache der Abpumpzeit beträgt, geschlossen.
Eine weitere typische Anwendung sind große Prozesskammern wie sie bspw. zur Wärmebehandlung oder Veredelung von Metallen verwendet werden. In diesem Anwendungsfall sind typische Abpumpzeiten 2 Min. bis 30 Min. Nach der Abpumpzeit ist die Prozesskammer auf dem gewünschten niedrigen Druckniveau. Es ist jedoch weiterhin erforderlich um dieses Druckniveau zu halten einen relativ geringen Gasfluss aufrechtzuerhalten, so dass weiterhin kleine Gasmengen abgepumpt werden. Hierbei handelt es sich um die Haltezeit, die ungefähr das Zweifache bis Zehnfache der Abpumpzeit beträgt.
Sowohl bei Schleusenkammern als auch bei entsprechend großen Prozesskammern ist es zur Realisierung kurzer Abpumpzeiten erforderlich, dass das Vakuumpumpensystem sehr groß dimensioniert ist. Während der Leerlaufzeit bzw. während der Haltezeit sind die großen Saugvermögen der Pumpsysteme jedoch nicht notwendig. Dies führt zu einer hohen Stromaufnahme und somit einem hohen Energieverbrauch.
Wird bspw. eine Schraubenpumpe zur Evakuierung einer Kammer wie einer Schleusenkammer oder einer Prozesskammer eingesetzt, so besteht die Problematik, dass zwischen den Rotorelementen der Schraube und dem Gehäuse ein Spalt vorgesehen ist, der, da es sich um eine trockenverdichtete Vakuumpumpe handelt nicht durch ein Schmiermittel abgedichtet ist. Die Spaltbreite hängt hierbei insbesondere von der Rotortemperatur ab. Da durch den Spalt stets ein Rückströmen des zu fördernden Mediums erfolgt, wird die optimale Förderleistung der Pumpe erst bei Erreichen der Betriebstemperatur und somit bei einem sehr geringen Spalt erzielt. Sobald ein Solldruck in einer Prozesskammer erzielt ist, wäre es möglich die Drehzahl der Pumpe und somit die Pumpleistung zu reduzieren oder ggf. die Pumpe sogar auszuschalten. Dies hat jedoch den Nachteil, dass sobald der Druck in der Prozesskammer den Solldruck wieder übersteigt, zunächst die Pumpe wieder auf Betriebstemperatur gebracht werden muss, bevor die volle Pumpleistung erzielt wird . Dies würde zu nicht akzeptablen Druckschwankungen in der Prozesskammer führen. Es ist erforderlich, dass die Vakuumpumpe bei Überschreiten eines Solldrucks in der Prozesskammer unmittelbar wieder mit voller Pumpleistung betrieben werden kann, um ein ungewolltes Ansteigen des Drucks in der Prozesskammer und zu starke Druckschwankungen in der Prozesskammer zu vermeiden. Bei Schleusenkammern muss die Pumpe vorzugsweise auf Nenndrehzahl gehalten werden, da sie sonst zum Ende der Leerlaufzeit erst beschleunigt werden müsste. Dies würde den Abpumpvorgang zeitlich verlängern.
Die Problematik, dass die Pumpe aufgrund von Dichtspalten auf Betriebstemperatur gehalten werden muss, um ein maximales Fördervolumen zu gewährleisten, besteht auch bei anderen trockenverdichtenden Vakuumpumpen, wie Klauenpumpen, Roots-Pumpen udgl.
Zur Reduzierung des Energieverbrauchs von Pumpen und Pumpensystemen während der Leerlauf- bzw. Haltezeit sind unterschiedliche Lösungsansätze bekannt:
Es besteht die Möglichkeit Vakuumpumpen mit hohem eingebauten Volumenverhältnis einzusetzen. Die technisch realisierbaren Volumenverhältnisse sind jedoch durch die Fertigungstechnik, den Bauaufwand und durch Anforderungen an die Robustheit und Dichtheit der Pumpstufen beschränkt. Insbesondere kann hierdurch nur eine geringe Reduzierung der Energieaufnahme erzielt werden. Zudem sind Lösungen erforderlich, die beim Abpumpvorgang auf hohe innere Verdichtung eine Überkompression vermeiden .
Des Weiteren ist eine Kombination von Vorvakuumpumpen mit den in Reihe geschalteten Roots-Pumpen bekannt. Durch diese Lösung kann ein großes Volumenverhältnis der gesamten Pumpkombination erreicht werden. Nachteilig ist allerdings, dass die Roots-Pumpe bei hohen Ansaugdrücken von bspw. ca. 100 mbar und mehr nur wenig Unterstützung für die Vorpumpe liefert. Dies liegt darin begründet, dass ansonsten ein sehr großer Motor an der Roots- Pumpe installiert werden müsste. Dies hat zur Folge, dass weiterhin sehr große Vorpumpen notwendig sind, um die entsprechenden Pumpzeiten zu realisieren. Dies führt zu einem entsprechend hohen Energieverbrauch.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Vakuumpumpen-System sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Vakuumpumpen-Systems zu schaffen, bei dem in unterschiedlichen Betriebszuständen einerseits eine hohe insbesondere maximale Förderleistung der Vakuumpumpe, bzw. des Vakuumpumpen- Systems gewährleistet werden kann und andererseits der Energieverbrauch reduziert werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Vakuumpumpen- System gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zum Betreiben eines Vakuumpumpen-Systems gemäß Anspruch 10.
Das erfindungsgemäße Vakuumpumpen-System ist insbesondere dazu entwickelt worden, dass auch wenn in einem Standby-Modus der geforderte Druck in der Kammer wie einer Prozesskammer bereits erreicht ist, die Vakuumpumpe auf Betriebstemperatur und Nenndrehzahl gehalten wird und dann, sobald der Druck in der Prozesskammer den Solldruck übersteigt, die Vakuumpumpe unmittelbar wieder mit hoher Pumpleistung betrieben werden kann. Entsprechend wurde das erfindungsgemäße Vakuumpumpen-System für einen Standby-Modus bei Schleusenkammern entwickelt, so dass einerseits geringe Abpumpzeiten in der Schleusenkammer realisiert und andererseits während der Leerlaufzeit eine Energieersparnis verwirklicht werden kann. Hierbei wird die Nenndrehzahl der Vakuumpumpe aufrechterhalten. Hierzu weist das Vakuumpumpen-System eine oder mehrere Vakuumpumpen, insbesondere eine trockenverdichtende Vakuumpumpe wie eine Schraubenpumpe, auf. Ein Einlass der Vakuumpumpe ist mit einer zu evakuierenden Kammer wie einer Prozesskammer oder eine Schleusenkammer verbunden. Der Auslass der Vakuumpumpe ist mit einer Auslassleitung verbunden . Diese kann bspw. mit einer Vorvakuumpumpe verbunden sein.
In der Auslassleitung ist ein vorzugsweise mechanisches Rückschlagventil angeordnet. Durch das Rückschlagventil, das ggf. als Steuerventil ausgebildet sein kann, ist ein Zurückströmen des geförderten Mediums in den Schöpfraum der Vakuumpumpe vermieden. Erfindungsgemäß ist die Auslassleitung über eine Bypassleitung mit der Einlassleitung verbunden. In der Bypassleitung ist ein Bypassventil angeordnet, das mit einer Steuereinrichtung verbunden ist. Hierdurch ist es möglich, bei Erreichen eines Solldrucks in der Prozesskammer bzw. der Schleusenkammer das Bypassventil zu öffnen, um die Vakuumpumpe bei reduzierter Stromaufnahme voll einsatzbereit zu halten. Hierbei wird insbesondere der Auslassdruck der Vakuumpumpe reduziert, wobei die Betriebstemperatur der Vakuumpumpe zumindest im Wesentlichen aufrecht erhalten wird .
Die Bypassleitung überbrückt vorzugsweise die mindestens eine Vakuumpumpe.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform, ist in der mit dem Einlass der Vakuumpumpe und der Kammer verbundenen Einlassleitung ein schaltbares Einlassventil angeordnet, das ebenfalls mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass beim Öffnen des Bypassventils das Einlassventil geschlossen werden kann, so dass eine vollständige Entkopplung der Prozess-bzw. der Schleusenkammer erfolgt.
Sollte nun der Druck in der Prozesskammer einen vorgegebenen Sollwert überschreiten, kann das Bypassventil geschlossen und das Einlassventil geöffnet werden, so dass aufgrund der Tatsache, dass sich die Vakuumpumpe im wesentlichen auf Nenndrehzahl befindet, unmittelbar wieder bei einer hohen, insbesondere optimalen, Förderleistung der Vakuumpumpe gefördert werden kann. Die Druckschwankungen innerhalb der Prozesskammer sind somit sehr gering und die Abpumpzeiten optimal kurz.
Ebenso ist es möglich, dass Einlassventil nicht vollständig zu schließen, so dass stets ein geringer Gasstrom aus der Prozesskammer bei verminderter Förderleistung der mindestens einen Vakuumpumpe gefördert wird .
Entsprechend kann bei einem Vakuumpumpen-System, das zur Evakuierung einer Schleusenkammer dient, für den nächsten Schleusvorgang das Einlassventil wieder geöffnet werden, so dass unmittelbar wieder mit hohem Pumpvolumen ein Evakuieren der Schleusenkammer im Rahmen der geforderten Abpumpzeit erfolgen kann.
Des Weiteren weist das erfindungsgemäße Vakuumpumpensystem den Vorteil auf, dass hierdurch erhebliche Energieersparnisse erzielt werden können. Dies ist insbesondere in einem Standby-Modus, in dem das Einlassventil (sofern vorhanden) vorzugsweise vollständig geschlossen und das Bypassventil vorzugsweise vollständig geöffnet ist, vorteilhaft.
Desweiteren besteht bei dem erfindungsgemäßen Vakuumpumpen-System der Vorteil, dass beim Schließen des Bypassventils ein Druckausgleich zwischen der Einlassseite und der Auslassseite der Vakuumpumpe erfolgt. Hierdurch sinkt der Druck im Auslassbereich der Vakuumpumpe, so dass die Vakuumpumpe sehr kurzfristig wieder eine hohe Pumpleistung erzielt.
Das erfindungsgemäße Vakuumpumpen-System weist stets mindestens eine Vakuumpumpe auf, die von einem Bypass überbrückbar ist. Entsprechend können auch mehrere Vakuumpumpen vorgesehen sein, die von einem gemeinsamen oder mehreren Bypässen überbrückbar sind . Des Weiteren ist es möglich, dass beim Vorsehen mehrerer Vakuumpumpen nur eine oder einige der Vakuumpumpen über einen gemeinsamen und/oder über mehrere Bypässe überbrückt sind. Im Nachfolgenden wird die Erfindung anhand des Vorsehens einer Vakuumpumpe erläutert.
Die Bypassleitung ist vorzugsweise zwischen dem Einlassventil und dem Einlass der Vakuumpumpe mit der Einlassleitung verbunden. Ebenso ist es möglich, die Bypassleitung unmittelbar mit dem Einlass der Vakuumpumpe zu verbinden.
Besonders bevorzugt ist es, dass das Vakuumpumpen-System hermetisch dicht ist. Insbesondere im Standby-Modus ist es vorteilhaft, wenn die externe Leckage möglichst gering ist. Bevorzugt ist es, dass die externe Leckage geringer als 10~4 mbar x l/s ist. Bei Auftreten größerer Leckagen im Standby- Modus wäre es auch möglich kurzfristig bei weiter geschlossenem Einlassventil das Bypassventil zu schließen, so dass Medium durch die Auslassleitung des Rückschlagventils abgeführt wird. Hierbei kann die Drehzahl der Pumpe ggf. erhöht werden. Anschließend kann die Pumpe wieder im Standby-Modus bei geschlossenem Einlassventil und offenen Bypassventil betrieben werden. Eine entsprechende Steuerung kann mit Hilfe der Steuereinrichtung erfolgen, die neben der Steuerung des Einlassventils und des Bypassventils zur Steuerung der Vakuumpumpe dient. Zur Ermittlung eines zu hohen Leckagestroms ist es möglich den Druck bspw. in der Bypassleitung zu messen. Auch kann die Stromaufnahme der Vakuumpumpe gemessen werden, da diese bei Ansteigen des Drucks ebenfalls steigt.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die verwendeten Pumpen selbst sehr dicht sind. Die Pumpen müssen derart ausgelegt werden, dass auch bei stark reduzierten Auslassdrücken von bspw. 10 mbar bis 500 mbar nur geringe Gas- Leckagen auftreten. Insbesondere soll kein Gas/ Luft von außen in die Pumpe eindringen.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Drehzahl der Vakuumpumpe im Standby-Modus im Bereich von 100% bis 20% der Nenndrehzahl liegt. Des Weiteren ist es besonderes bevorzugt, dass ein Gasvolumen Vol22 zwischen dem Auslass der Vakuumpumpe und dem Rückschlagventil kleiner ist als ein Gasvolumen Voli4 zwischen dem Einlassventil und dem Einlass der Vakuumpumpe. Insbesondere ist ein Verhältnis von Vol22/Voli4 kleiner als 1,0, vorzugsweise kleiner als 0,2 angestrebt. Hierdurch ist es möglich, dass beim Öffnen des Bypassventils der Druck auf der Auslassseite der Vakuumpumpe auf ein ausreichend niedriges Niveau gebracht wird. Hierdurch kann eine besonders hohe Energieersparnis erzielt werden. Die entsprechenden Volumina sind insbesondere dadurch realisierbar, dass auslassseitig möglichst kurze Leitungen mit insbesondere kleinen Querschnitten und einlassseitig längere Leitungen mit ggf. größeren Querschnitten verwendet werden. Auch ist es möglich einlassseitig einen Pufferbehälter zur Vergrößerung des einlassseitigen Volumens Voli4 vorzusehen.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Vakuumpumpensystem auf die Art betrieben werden, dass bei geschlossenem Einlassventil das Bypassventil ebenfalls geschlossen wird, wenn der Druck p2 am Einlass der Vakuumpumpe einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Hierdurch erfolgt ein Abpumpen von Medium in Richtung des Auslasses durch das Rückschlagventil 24.
Bei einem weiteren bevorzugten Betriebszustand des erfindungsgemäßen Vakuumpumpen-Systems erfolgt bei geschlossenem Einlassventil ein Schließen des Bypassventils, wenn die Leistungs- oder Stromaufnahme der Vakuumpumpe einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Hierdurch kann beispielsweise ein Überlasten der Vakuumpumpe vermieden werden.
Bei einem weiteren bevorzugten Betriebszustand des Vakuumpumpen- Systems, bei dem kein Einlassventil in der zwischen der Kammer und der Vakuumpumpe vorgesehenen Verbindungsleitung angeordnet ist, erfolgt bei kleinen Gasflüssen aus der Kammer ein Öffnen des Bypassventils, wenn ein Druck p2 am Einlass der Vakuumpumpe oder ein Druck pin in der Kammer einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Es erfolgt sodann wiederum ein Schließen des Bypassventils wenn ein weiterer Grenzwert für den Druck p2 oder Pin überschritten wird.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Vakuumpumpen-Systems mit Schleusenkammer wie vorstehend beschrieben. Hierbei wird die Vakuumpumpe in einem Standby-Modus wie vorstehend beschrieben betrieben, so dass insbesondere bei vollständig geschlossenem Einlassventil und bei insbesondere vollständig geöffnetem Bypass-Ventil die Vakuumpumpe bei verringertem Auslassdruck und bei vorzugsweise Nenndrehzahl betrieben, und somit für den nächsten Abpumpvorgang optimal vorbereitet, jedoch bei verringerter Stromaufnahme gehaltern wird . Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise wie vorstehend anhand des Vakuumpumpen-Systems beschrieben vorteilhaft weitergebildet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 4 ein schematisches Diagramm eines Druckverlaufs über der Zeit.
Das in der Fig. 1 dargestellte Vakuumpumpensystem weist eine Schraubenpumpe 10 auf. Ein Einlass 12 der Vakuumpumpe ist über eine Einlassleitung 14 mit einer Kammer, wie einer Schleusen- oder Prozesskammer 16 verbunden . Die Kammer 16 weist einen über einem Ventil 17 (Ventil V0) verschließbaren Einlass auf. In der Einlassleitung 14 ist ein insbesondere steuerbares Einlassventil 18 (Ventil Vi) angeordnet.
Mit einem Auslass 20 der Vakuumpumpe 10 ist eine Auslassleitung 22 verbunden, in der ein Rückschlagventil 24 angeordnet ist. Die Auslassleitung 22 kann unmittelbar mit der Atmosphäre oder auch mit einem Abgassystem mit vorgegebenem Systemdruck verbunden sein . Dieser Systemdruck kann höher oder niedriger als der Atmosphärendruck sein .
Des Weiteren ist die Auslassleitung 22 über eine Bypassleitung 30 mit der Einlassleitung 14 verbunden . In der Bypassleitung 30 ist ein insbesondere elektrisch schaltbares Bypassventil 26 (Ventil V2) angeordnet. Des Weiteren ist eine Steuereinrichtung 28 vorgesehen, die zumindest mit dem Anlassventil 18 und dem Bypassventil 26 zur Steuerung dieser Ventile verbunden ist. Ferner kann die Steuereinrichtung 28 mit einem in der Prozesskammer angeordneten Drucksensor verbunden sein . Ebenso ist es möglich, dass die Steuereinrichtung 28 zur Steuerung der Vakuumpumpe 10 dient.
Zur Evakuierung der Kammer 16 ist das Einlassventil 18 geöffnet und das Bypassventil 26 geschlossen . Das zu fördernde Gas wird somit von der Vakuumpumpe 10 über die Einlassleitung 14 angesaugt und über die Auslassleitung 22 durch die Rückschlagventil 24 abgeführt. Sobald in der Kammer ein bestimmter Solldruck erreicht ist, wird das Einlassventil 18 durch die Steuereinrichtung 28 geschlossen und gleichzeitig oder verzögert das Bypassventil 26 geöffnet. In diesem Standby-Betrieb kann ferner die Drehzahl der Vakuumpumpe 10 reduziert werden, so dass eine relativ geringe Menge Gas von einer Vakuumpumpe 10 durch die Bypassleitung 30 im Kreis gefördert wird . Hierdurch kann bei geringer Energieaufnahme die Vakuumpumpe 10 voll betriebsbereit gehalten werden . Zur Vermeidung von Leckagen ist das Vakuumpumpen-System hermetisch dicht. Sollten im Standby-Modus dennoch geringe Leckagen auftreten, wäre es möglich kurzfristig das Bypassventil 26 zu schließen, um einen Teil des im Standby-Modus im Kreis geförderten Mediums durch das Rückschlagventil 24 bei ggf. erhöhter Pumpendrehzahl abzuführen. Anschließend kann das Bypassventil 26 wieder geöffnet werden, so dass wiederum eine geringe Meng an Gas im Kreis gefördert werden kann.
In den Fign. 2 und 3 sind ähnliche bzw. identische Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Bei der in Fig . 2 dargestellten Ausführungsform ist in der Einlassleitung 14 zusätzlich eine weitere Vakuumpumpe 32, beispielsweise eine Roots-Pumpe, angeordnet. Die Bypassleitung 30 ist mit einem Teil der Einlassleitung verbunden, der die beiden Vakuumpumpen 10, 32 verbindet. Eine derartige Anordnung ist bspw. zweckmäßig, wenn es sich bei der Kammer 16 um eine Prozesskammer handelt und das Einlassventil 18 im Standby-Modus nicht vollständig geschlossen wird, so dass aus der Prozesskammer 16 auch im Standby-Modus eine geringe Gasmenge abgepumpt wird.
Mit dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in Reihe zu der Vakuumpumpe 10 eine weitere Vakuumpumpe 34, beispielsweise eine Roots- Pumpe, angeordnet. Die Bypassleitung 30 überbrückt hierbei die beiden Vakuumpumpen 10, 32. Durch diese Pumpenanordnung kann insbesondere die Pumpleistung des Gesamtsystems erhöht werden.
Einen typischen Zyklus des bspw. in Fig. 1 dargestellten Vakuumpumpen- Systems stellt Fig . 4 dar.
Das mit V0 bezeichnete Ventil 17 ist zum Befüllen der Schleusenkammer 16 offen. Während dieses Zeitraums steigt der als durchgezogene Linie dargestellte Druck pin in der Kammer 16 auf paus, d .h. auf Umgebungsdruck an. Gleichzeitig ist das mit 18 bezeichnete Ventil Vi geschlossen, so dass am Einlass der Vakuumpumpe 10 ein Druck p2 herrscht. Dieser ist in Fig. 4 als gestrichelte Linie dargestellt. Beim Öffnen des mit 18 bezeichneten Vetils Vi steigt zunächst der Druck p2 am Pumpeneinlass sowie auch der Druck pi am Pumpenauslass, der als gepunktete Linie in Fig. 4 dargestellt ist. Vor dem Öffnen des Ventils Vi sinkt der Druck p2 kurzfristig, da das mit 26 bezeichnete Ventil V2 geschlossen wird, kurz bevor das Ventil Vi geöffnet wird.
Während der Abpumpzeit, während der das Ventil Vi offen, die Ventile V0 und V2 geschlossen sind, erfolgt ein Evakuieren der Schleusenkammer 16 bis auf einen Minimaldruck, wobei beim Schließen des Ventils Vi sodann sowohl der Druck Pin in der Schleusenkammer 16 entspricht, als auch der Einlassdruck an der Vakuumpumpe 10 minimal ist. Da das als Bypassventil 26 bezeichnete Ventil V2 geschlossen ist, herrscht im Auslassbereich 22 Umgebungsdruck.
Im nächsten Zeitraum, der Leerlaufzeit bzw. dem Standby-Modus, kurz nach dem Schließen des Ventils Vi, wird das Ventil V2 geöffnet. Hierdurch findet zunächst im Wesentlichen ein Druckausgleich durch die Bypassleitung 30 in den entsprechenden Bereichen der Leitungen 14 und 22 statt. Der gestrichelt dargestellte Druck p2 am Einlass der Vakuumpumpe 10 steigt somit etwas an. Gleichzeitig fällt der im Bereich des Auslasses 20,22 herrschende Druck pi (gepunktete Linie) ab. Da der Druckabfall pi erfindungsgemäß deutlich größer sein soll als der Druckanstieg p2, muss das Volumen Vol22 entsprechend größer als das Volumen Voli4 sein. Während der Leerlaufzeit werden diese Drücke entsprechend beibehalten. Da das Ventil Vi geschlossen ist, hat die Druckänderung im Einlass 14 keine Auswirkung auf den Druck in der Schleusenkammer 16.
Im nächsten Zeitraum, der Schleusenzeit wird bei geschlossenem Ventil Vi das Ventil V0 geöffnet und der Zyklus beginnt von Neuem.

Claims

Patentansprüche
Vakuumpumpen-System mit einer Vakuumpumpe (10), insbesondere einer trockenverdichtenden Vakuumpumpe wie einer Schraubenpumpe, einer über eine Einlassleitung (14) mit einem Einlass (12) der Vakuumpumpe (10) verbundenen Kammer (16), einem in einer mit einem Auslass (20) der Vakuumpumpe (10) verbundenen Auslassleitung (22) angeordneten Rückschlagventil (24), einer mit der Auslassleitung (22) und der Einlassleitung (14) verbundenen Bypassleitung (30), die vorzugsweise die Vakuumpumpe (10) überbrückt, einem in der Bypassleitung (30) angeordneten schaltbaren Bypassventil (26), und einer mit dem Bypassventil (26) verbundenen Steuereinrichtung (28).
Vakuumpumpen-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (28) in einem Standby-Modus das Bypassventil (26) öffnet, um die Vakuumpumpe (10) bei reduzierter Stromaufnahme voll einsatzbereit zu halten.
3. Vakuumpumpen-System nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein in der Einlassleitung (14) angeordnetes schaltbares Einlassventil (18).
4. Vakuumpumpen-System nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (28) mit dem Einlassventil (14) verbunden ist und in dem Standby-Modus die Steuereinrichtung (28) das Einlassventil (18) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig schließt.
5. Vakuumpumpen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (30) zwischen dem Einlassventil (18) und dem Einlass (12) der Vakuumpumpe (10) mit der Einlassleitung (14) verbunden ist.
6. Vakuumpumpen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (30) zwischen dem Rückschlagventil (24) und dem Auslass (20) der Vakuumpumpe mit der Auslassleitung (22) verbunden ist.
7. Vakuumpumpen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl im Standby-Modus im Bereich von 20 bis 100% der Nenndrehzahl liegt.
8. Vakuumpumpen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumpumpen-System hermetisch dicht ist.
9. Vakuumpumpen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu der Vakuumpumpe (10) mindestens eine weitere Vakuumpumpe (32, 34) angeordnet ist, die vorzugsweise ebenfalls von der Bypassleitung (30) überbrückt ist.
10. Vakuumpumpen-System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (30) mit einer Verbindungsleitung zwischen der Vakuumpumpe (10) und der weiteren Vakuumpumpe (32) verbunden ist.
11. Vakuumpumpen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasvolumen Vol22 zwischen dem Auslass der Vakuumpumpe (10) und dem Rückschlagventil (24) kleiner ist als ein Gasvolumen Voli4 zwischen dem Einlassventil (18) und dem Einlass (12) der Vakuumpumpe (1), wobei das Volumenverhältnis Vol22/Voli4 vorzugsweise kleiner als 1,0 und besonders bevorzugt kleiner als 0,2 ist.
12. Verfahren zum Betreiben eines Vakuumpumpen-Systems, insbesondere eines Vakuumpumpen-Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem in einem Standby-Modus das Einlassventil (18) von der Steuereinrichtung (28) insbesondere vollständig geschlossen und das Bypassventil (26) insbesondere vollständig geöffnet wird, sodass die Vakuumpumpe bei verringertem Auslassdruck und vorzugsweise Nenndrehzahl betrieben wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem das Einlassventil (18) bei Erreichen eines Solldrucks in der Prozesskammer (16) geschlossen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem bei Überschreiten des Solldrucks in der Prozesskammer das Einlassventil (18) geöffnet wird .
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei welchem das Bypassventil (26) bei geschlossenem Einlassventil (18) geschlossen wird, wenn der Druck p2 am Einlass (12) der Vakuumpumpe (10) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welchem das Bypassventil (26) bei geschlossenem Einlassventil (18) geschlossen wird, wenn eine Leistungs- oder Stromaufnahme der Vakuumpumpe (10) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei welchem, sofern kein Einlassventil (18) vorgesehen ist, bei kleinen Gasflüssen aus der Kammer (16) das Bypassventil (26) geöffnet wird, wenn ein Druck p2 am Einlass der Vakuumpumpe (10) oder ein Druck pin in der Kammer (16) einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet und das Bypassventil (26) wieder geschlossen wird, wenn ein weiterer Grenzwert des Drucks p2 oder des Drucks pin überschritten wird.
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